哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员开发了一种新型锂金属电池，这种电池可以充放电至少6000次，比任何其他袋式电池都要多，而且可以在几分钟内充电。

这项研究不仅描述了一种用锂金属阳极制造固态电池的新方法，而且为这些潜在的革命性电池的材料提供了新的认识。

这项研究发表在

“锂金属阳极电池被认为是电池的圣杯，因为它们的容量是商用石墨阳极的十倍，可以大大增加电动汽车的行驶距离，”SEAS材料科学副教授、该论文的资深作者李欣说。“我们的研究是朝着工业和商业应用中更实用的固态电池迈出的重要一步。”

设计这些电池的最大挑战之一是阳极表面树突的形成。这些结构像根一样生长在电解液中，并刺穿分离阳极和阴极的屏障，导致电池短路甚至着火。

当锂离子在充电过程中从阴极移动到阳极时，这些枝晶就形成了，在一个叫做电镀的过程中附着在阳极的表面。在阳极上电镀会产生不均匀的表面，就像牙齿上的牙菌斑一样，并允许树突扎根。当放电时，像斑块一样的涂层需要从阳极上剥离，当镀层不均匀时，剥离过程可能很慢，并导致坑洞，从而在下一次充电时导致更不均匀的镀层。

2021年，李和他的团队通过设计一种多层电池，在阳极和阴极之间夹入不同稳定性的不同材料，提供了一种处理枝晶的方法。这种多层、多材料的设计不是通过完全阻止锂枝晶的渗透，而是通过控制和包含它们来阻止锂枝晶的渗透。

在这项新研究中，李和他的团队通过在阳极中使用微米大小的硅颗粒来收缩锂化反应，并促进厚层锂金属的均匀电镀，从而阻止枝晶的形成。

在这种设计中，当锂离子在充电过程中从阴极移动到阳极时，锂化反应在浅表面受到限制，离子附着在硅颗粒的表面，但不会进一步渗透。这与液态锂离子电池的化学性质明显不同，液态锂离子通过深度锂化反应渗透，最终破坏阳极中的硅颗粒。

而在固态电池中，硅表面的离子被压缩，并经历锂化的动态过程，在硅芯周围形成锂金属镀层。

李说:“在我们的设计中，锂金属被包裹在硅颗粒周围，就像巧克力松露中的榛子核被坚硬的巧克力外壳包裹一样。”

这些被涂覆的颗粒形成了一个均匀的表面，电流密度均匀分布，防止了枝晶的生长。而且，由于电镀和剥离可以在平坦的表面上快速发生，电池只需10分钟即可充电。

研究人员制造了一个邮票大小的口袋电池，比大多数大学实验室制造的硬币电池大10到20倍。这种电池在6000次循环后仍能保持80%的容量，优于当今市场上的其他袋式电池。这项技术已经通过哈佛技术发展办公室授权给阿登能源公司，这是一家由李和三位哈佛校友共同创立的哈佛衍生公司。该公司已将该技术扩大到制造智能手机大小的袋式电池。

李和他的团队还描述了允许硅收缩锂扩散的特性，以促进有利于厚锂均匀电镀的动态过程。然后，他们定义了一个独特的属性描述符来描述这一过程，并对所有已知的无机材料进行了计算。在此过程中，研究小组发现了几十种可能产生类似性能的其他材料。

“以前的研究已经发现，其他材料，包括银，可以作为固态电池阳极的好材料，”李说。“我们的研究解释了这一过程的一种可能的潜在机制，并为识别电池设计的新材料提供了一条途径。”

该研究由叶鹿涵、吕洋、王一超和李建元共同撰写。它得到了能源部汽车技术办公室、哈佛大学气候变化解决方案基金和哈佛大学数据科学倡议基金的支持。